Введение
Растительные клеточные органеллы, выполняющие фотосинтез и запасающие крахмал. Пластида – это мембранная органелла, обнаруженная в клетках растений, водорослей и некоторых других эукариотических организмов. Они рассматриваются как внутриклеточные эндосимбиотические цианобактерии. Примерами пластид являются хлоропласты (используемые для фотосинтеза), хромопласты (используемые для синтеза и хранения пигментов), лейкопласты (непигментированные пластиды, некоторые из которых могут дифференцироваться) и апикопласты (нефотосинтетические пластиды апикомплекс, возникшие в результате вторичного эндосимбиоза). Первичное событие эндосимбиоза произошло около 1,5 миллиардов лет назад в кладе Archaeplastida, включающей растения и красные и зеленые водоросли, вероятно, с цианобионтом – симбиотической цианобактерией, родственной роду Gloeomargarita. Другое первичное событие эндосимбиоза произошло позднее, от 140 до 90 миллионов лет назад, в фотосинтетических пластидах Paulinella amoeboids из родов цианобактерий Prochlorococcus и Synechococcus, или "клада PS". Вторичные и третичные события эндосимбиоза также происходили в широком разнообразии организмов, и некоторые организмы развили способность к секвестру поглощенных пластид – процесс, известный как клептопластика. А. Ф. В. Шимпер первым дал название, описание и четкое определение пластидам, которые содержат двухцепочечную молекулу ДНК, долгое время считавшуюся кольцевой, как кольцевая хромосома прокариотических клеток, но сейчас, возможно, это не так (см. раздел о "линейной форме"). Пластиды являются местом синтеза и хранения пигментов и других важных химических соединений, используемых клетками автотрофных эукариотов. Некоторые содержат биологические пигменты, используемые в фотосинтезе или определяющие цвет клетки. Пластиды в организмах, утративших фотосинтетические свойства, полезны для синтеза молекул, таких как изопреноиды.
A plastid , , is a membrane bound organelle found in the cells of plants, algae, and some other eukaryotic organisms. They are considered to be intracellular endosymbiotic cyanobacteria. Examples of plastids include chloroplasts (used for photosynthesis); chromoplasts (used for synthesis and storage of pigments); leucoplasts (non pigmented plastids some of which can differentiate); and apicoplasts (non photosynthetic plastids of apicomplexa derived from secondary endosymbiosis). A permanent primary endosymbiosis event occurred about 1.5 billion years ago in the Archaeplastida cladeland plants, red algae, green algaeprobably with a cyanobiont, a symbiotic cyanobacteria related to the genus Gloeomargarita. Another primary endosymbiosis event occurred later, between 140 to 90 million years ago, in the photosynthetic plastids Paulinella amoeboids of the cyanobacteria genera Prochlorococcus and Synechococcus, or the "PS clade". Secondary and tertiary endosymbiosis events have also occurred in a wide variety of organisms; and some organisms developed the capacity to sequester ingested plastidsa process known as kleptoplasty. A. F. W. Schimper was the first to name, describe, and provide a clear definition of plastids, which possess a double stranded DNA molecule that long has been thought as circular in shape, like that of the circular chromosome of prokaryotic cellsbut now, perhaps not; (see " a linear shape"). Plastids are sites for manufacturing and storing pigments and other important chemical compounds used by the cells of autotrophic eukaryotes. Some contain biological pigments such as used in photosynthesis or which determine a cell's color. Plastids in organisms that have lost their photosynthetic properties are highly useful for manufacturing molecules like the isoprenoids.
Пластомы и ДНК/ РНК хлоропластов; ДНК пластидов и нуклеоиды пластидов
Каждый пластид создает множество копий своего уникального генома, или пластомы (от «генома пластиды»), который для хлорофильного пластида (или хлоропласта) эквивалентен «геному хлоропласта» или «ДНК хлоропласта». Количество копий генома, производимых на пластид, варьируется от 1000 и более в быстро делящихся новых клетках, содержащих лишь несколько пластид, до 100 и менее в зрелых клетках, содержащих многочисленные пластиды. Пластом обычно содержит геном, кодирующий транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК) и рибосомальные рибонуклеиновые кислоты (рРНК). Он также содержит белки, участвующие в фотосинтезе и транскрипции и трансляции генов пластид. Однако эти белки составляют лишь небольшую часть общего набора белков, необходимых для построения и поддержания любого конкретного типа пластид. Ядерные гены (в ядре клетки растения) кодируют подавляющее большинство белков пластид; а экспрессия ядерных и пластидных генов координированно регулируется для согласования развития и дифференцировки пластид. Многие пластиды, особенно отвечающие за фотосинтез, обладают многочисленными внутренними мембранными слоями. ДНК пластид существует в виде белково-ДНК комплексов, связанных в виде локализованных областей внутри внутренней мембраны оболочки пластида; эти комплексы называются «пластидными нуклеоидами». В отличие от ядра эукариотической клетки, пластидный нуклеоид не окружен ядерной мембраной. Область каждого нуклеоида может содержать более 10 копий ДНК пластид. В то время как пропластид (недифференцированный пластид) содержит одну нуклеоидную область, расположенную вблизи центра пропластида, развивающийся (или дифференцирующийся) пластид имеет множество нуклеоидов, локализованных на периферии пластида и связанных с внутренней мембраной оболочки. В процессе развития/дифференцировки пропластидов в хлоропласты и при дифференцировке пластидов из одного типа в другой нуклеоиды изменяют свою морфологию, размер и расположение внутри органеллы. Считается, что ремоделирование пластидных нуклеоидов происходит за счет модификации количества и состава нуклеоидных белков. В нормальных растительных клетках иногда формируются длинные тонкие выросты, называемые стромулами, которые простираются от тела пластида в цитозоль клетки, соединяя несколько пластид. Белки и более мелкие молекулы могут перемещаться вокруг и через стромулы. Для сравнения, в лабораторных условиях большинство культивируемых клеток, которые крупнее нормальных растительных клеток, производят очень длинные и многочисленные стромулы, достигающие периферии клетки. В 2014 году были найдены доказательства возможной потери генома пластид у Rafflesia lagascae, нефотосинтетического паразитического цветкового растения, и у Polytomella, рода нефотосинтетических зеленых водорослей. Обширные поиски генов пластид в обоих таксонах не дали результатов, но вывод о полном отсутствии их пластом все еще оспаривается. Некоторые ученые утверждают, что потеря генома пластид маловероятна, поскольку даже эти нефотосинтетические пластиды содержат гены, необходимые для завершения различных биосинтетических путей, включая биосинтез гема. Даже при потере генома пластид у Rafflesiaceae пластиды все еще встречаются там в виде «оболочек» без содержания ДНК, что напоминает гидрогосомы у различных организмов.
Наследие
При размножении большинство растений наследуют свои пластиды только от одного родителя. В целом, цветковые растения (ангиоспермы) наследуют пластиды от женской гаметы, тогда как многие голосеменные – от мужной пыльцы. Водоросли также наследуют пластиды только от одного родителя. Таким образом, пластидная ДНК другого родителя полностью теряется. При нормальных внутривидовых скрещиваниях, приводящих к получению нормальных гибридов одного вида, наследование пластидной ДНК, по-видимому, строго одностороннее, то есть от материнского организма. Однако при межвидовых гибридизациях наследование, по-видимому, происходит более хаотично. Хотя пластиды в основном наследуются от матери в межвидовых гибридизациях, существует множество сообщений о гибридах цветковых растений, производящих пластиды от отцовского организма. Примерно у 20% цветковых растений, включая люцерну (Medicago sativa), обычно наблюдается бипарентальное наследование пластид.
Повреждение и восстановление ДНК
Пластидная ДНК проростков кукурузы подвергается возрастающим повреждениям по мере развития проростков. Повреждение ДНК вызвано окислительной средой, создаваемой фотоокислительными реакциями и фотосинтетическим/дыхательным переносом электронов. Часть молекул ДНК восстанавливается, но ДНК с невосстановленными повреждениями, по-видимому, деградирует до нефункциональных фрагментов. Белки, участвующие в репарации ДНК, кодируются ядерным геномом клетки и затем транспортируются в пластиды, где они поддерживают стабильность/целостность генома, восстанавливая ДНК пластид. Например, в хлоропластах мха Physcomitrella patens белок, задействованный в репарации неспаренных оснований ДНК (Msh1), взаимодействует с белками, задействованными в рекомбинационной репарации (RecA и RecG), для поддержания стабильности генома пластид.
Происхождение
Считается, что пластиды произошли от эндосимбиотических цианобактерий. Предполагается, что первичное эндосимбиотическое событие в группе Archaeplastida произошло около 1,5 миллиардов лет назад и позволило эукариотам осуществлять кислородный фотосинтез. С тех пор в Archaeplastida возникли три эволюционные линии, в которых пластиды имеют разные названия: хлоропласты у зеленых водорослей и/или растений, родопласты у красных водорослей и муропласты у глаукофитов. Пластиды различаются как по пигментации, так и по ультраструктуре. Например, хлоропласты растений и зеленых водорослей утратили все фикобилисомы – светособирающие комплексы, присутствующие у цианобактерий, красных водорослей и глаукофитов, но вместо этого содержат стромальные и гранальные тилакоиды. Пластид глаукоцистофитов, в отличие от хлоропластов и родопластов, все еще окружен остатками клеточной стенки цианобактерий. Все эти первичные пластиды окружены двумя мембранами. Пластид фотосинтезирующих видов *Paulinella* часто называют «цианеллой» или хроматофором, и он подвергся гораздо более позднему эндосимбиотическому событию около 90–140 миллионов лет назад; это единственное известное первичное эндосимбиотическое событие цианобактерий за пределами Archaeplastida. Когда эукариота поглощает красную или зеленую водоросль и сохраняет пластид водоросли, этот пластид обычно окружен более чем двумя мембранами. В некоторых случаях такие пластиды могут быть редуцированы в своей метаболической и/или фотосинтетической активности. К водорослям со сложными пластидами, образовавшимися в результате вторичного эндосимбиоза красной водоросли, относятся гетероконты, гаптофиты, криптомонады и большинство динофлагеллят (= родопласты). К тем, кто подвергся эндосимбиозу с зеленой водорослью, относятся эуглениды и хлорахинофиты (= хлоропласты). Apicomplexa – тип облигатных паразитических альвеолят, включающий возбудителей малярии (*Plasmodium* spp.), токсоплазмоза (*Toxoplasma gondii*) и многих других заболеваний человека и животных – также содержат сложный пластид (хотя эта органелла была утрачена у некоторых апикомплекс, таких как *Cryptosporidium parvum*, вызывающего криптоспоридиоз). «Апикопласт» больше не способен к фотосинтезу, но является важной органеллой и перспективной мишенью для разработки противопаразитарных препаратов. Некоторые динофлагелляты и морские слизни, особенно рода *Elysia*, поглощают водоросли в качестве пищи и сохраняют пластид переваренной водоросли, чтобы извлечь выгоду из фотосинтеза; со временем пластиды также перевариваются. Этот процесс известен как клептопластия, от греческого *kleptes* (κλέπτης) – вор.
Цикл развития пластидов
В 1977 году Дж. М. Уотли предложил цикл развития пластид, согласно которому развитие пластид не всегда происходит в одном направлении, а представляет собой сложный циклический процесс. Пропластиды являются предшественниками более дифференцированных форм пластид, как показано на диаграмме справа.